CN114552678A - 一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法 - Google Patents

一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114552678A
CN114552678A CN202210230225.0A CN202210230225A CN114552678A CN 114552678 A CN114552678 A CN 114552678A CN 202210230225 A CN202210230225 A CN 202210230225A CN 114552678 A CN114552678 A CN 114552678A
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
small signal
grid
control
load
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210230225.0A
Other languages
English (en)
Inventor
汪晋宽
宋冠儒
韩英华
赵强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeastern University Qinhuangdao Branch
Original Assignee
Northeastern University Qinhuangdao Branch
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeastern University Qinhuangdao Branch filed Critical Northeastern University Qinhuangdao Branch
Priority to CN202210230225.0A priority Critical patent/CN114552678A/zh
Publication of CN114552678A publication Critical patent/CN114552678A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J4/00—Circuit arrangements for mains or distribution networks not specified as ac or dc
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/388—Islanding, i.e. disconnection of local power supply from the network
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J5/00—Circuit arrangements for transfer of electric power between ac networks and dc networks
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2203/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J2203/10—Power transmission or distribution systems management focussing at grid-level, e.g. load flow analysis, node profile computation, meshed network optimisation, active network management or spinning reserve management
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2203/00—Indexing scheme relating to details of circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J2203/20—Simulating, e g planning, reliability check, modelling or computer assisted design [CAD]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28—The renewable source being wind energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/30—The power source being a fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/40—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation wherein a plurality of decentralised, dispersed or local energy generation technologies are operated simultaneously

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

交直流微电网被认为是分布式发电的一种有效的解决方案。本发明提出一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法，涉及电力电子领域；本发明建立了微电网中包括源侧的输出阻抗和负载侧包括恒功率负载的输入阻抗模型，然后提出了一种级与内模原理的模糊准比例谐振控制方法的，然后对推导的小信号模型进行小信号稳定性分析，研究带有恒功率负载对系统的影响，由于方法在高频有高的幅值裕度，因此提出的模糊比例谐振控制能够增强微电网的小信号稳定性。最后通过pscad和matlab仿真说明了该控制方法的有效性。

Description

一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法。
背景技术
微电网是一种集成了分布式电源，储能单元和多重负载的一种小型的发配电系统，可再生能源(RESs)，如光伏发电(PV)等，在过去，由于世界各地的许多研究和工业努力，已经在电力系统中大量出现，而随着可再生能源发展规模的扩大，微电网不可避免地成为分布式电源灵活控制的一个有前途的解决方案，并且由于分布式电源的不稳定性和微电网的低惯量特性，稳定性问题是一直是关注的关键问题。微电网的稳定性交直流混联配电系统存在多个互联装置、分布式发电单元以及负载单元，每一个单元的控制器都是独立设计的，在单独运行时都能够保持稳定工作，但是当多个电力电子装置构成一个系统时，变换器之间将会互相影响，此外交直流配电系统直流母线上将会接入大量的恒功率负载，而恒功率负载具有负阻抗特性，减小系统阻尼，这些因素将会造成系统不稳定，所以我们需要采用小信号稳定性分析来增强交直流混合微电网的稳定性问题。
当前广泛应用的比例积分控制能无差跟踪直流信号，但根据内模原理可知其对交流信号的控制性能较差。滞环控制具有动态响应快和实现简单的特点，但是控制精度、损耗及开关频率会随着滞环宽度的变化而变化。无差拍控制虽然控制效果较好，但是对系统传感器的精度要求较高，控制过程中运算量较大，结构复杂不易实现。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法。
一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统包括源、网、荷、并网逆变器、DC/DC变换器以及开关；
源部分由分布式电源和柔性互联装置等效而成；网为π型网架结构的母线组成；荷为负载；在系统中普遍存在大量且多样的负载，分为恒功率负载和电阻性的直流负载与交流负载；
其中，母线有直流母线和交流母线两条；
分布式电源输出端连接柔性互联装置输入端，交流母线与柔性互联装置输出端相连；同时交流负载也连接到交流母线上，构成交流侧子网；
分布式电源输出端连接DC/DC变换器一端；DC/DC变换器另一端连接直流母线；恒功率负载以bulk电路的方式，与分布式电源和DC/DC变换器并联；同时，直流负载连接直流母线构成直流侧子网；其中，交流侧子网与直流侧子网之间通过并网逆变器相互连接构成一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统；
通过开关的动作，切换交直流混合微网的并网运行模式或孤岛运行模式；
另一方面，一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统的控制方法；具体包括以下步骤：
步骤1：对交直流混合微电网电路结构进行模型等效；所述交直流混合微电网电路为一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统；
步骤1.1：将交直流混合微电网电路的各个部分的模型进行等效，将分布式电源简化为容量足够的储能装置，并根据分布式电源的boost电路结构，得到分布式电源的电压与电流的关系：
Figure BDA0003538050660000021
其中，uink为输入电压，iLk为电感电流，iok为输出电流，uok为输出电压，uck为电容电压，dk为开关占空比，Ck为滤波电容，Lk为滤波电感；
步骤1.2：求解柔性互联装置的电路结构中电压与电流关系，其中，柔性互联装置为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure BDA0003538050660000022
其中，Lgn为滤波电感，Rgn为滤波电容，idn和iqn为电网电流的d，q轴分量，edn和eqn为电网电压的d，q轴分量，Sdn和Sqn为三相开关的占空比的d，q轴分量，udcn为直流侧电压idcn为直流侧电流，ω为系统频率；
忽略线阻损耗，且根据功率守恒则有：
Figure BDA0003538050660000023
步骤1.3：求解恒功率负载中电压与电流关系，其中，恒功率负载为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure BDA0003538050660000031
其中，CCPL为恒功率负载的滤波电容，LCPL为恒功率负载的滤波电感，uRL为输出电阻电压，uPCC为母线电压，iLL为滤波电感电流，iRL为电阻电流；
步骤1.4：对母线的结构进行求解，其中，母线为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure BDA0003538050660000032
其中，uline为线阻电压，iline为线阻电流，Rline为线路电阻，Lline为线路电感；
步骤2：对柔性互联装置进行模糊比例谐振控制的设计，即模糊pr控制的设计；
步骤2.1：采用准谐振控制，对柔性互联装置进行进行设计：
Figure BDA0003538050660000033
其中ωc频段宽系数；
步骤2.2：采用模糊pr控制，对准谐振控制结果进行进一步优化；
根据柔性互联装置控制系统的传递函数确定准比例谐振控制中Kp和Kr参数的初始值；将两个参数作为模糊pr控制的输入，柔性互联装置根据模糊规则优化输出参数；将模糊pr控制kp，kr参数的变化量与模糊pr控制的初始参数相加，得到的数值就是模糊pr控制的实际控制参数；
再通过传感器测得参考电流与电网电流的差值和变化率；参考电流为柔性互联装置控制系统的目标电流值，电网电流为柔性互联装置控制系统实际电流值；基于参考电流与电网电流的差值和变化率利用模糊pr控制来调整kp，kr参数值；
模糊pr控制中参数Kp和参数Kr为：
kp＝kp0+Δkp
kr＝kr0+Δkr
其中，kp0，kr0为比例系数和谐振系数的初始值，Δkp，Δkr为比例系数和谐振系数的小扰动；
步骤3：分别对交直流混合微电网的各部分进行小信号模型设计；
步骤3.1：首先对交直流混合微电网各组成部分进行小信号模型建立，源部分为：
首先对分布式电源中的变量的稳定状态下附近做小扰动，令
Figure BDA0003538050660000041
Figure BDA0003538050660000042
其中，Uink，ILk，Dk，Uok，ILk，Iok为步骤1.1中各个变量的稳定状态下的数值，
Figure BDA0003538050660000043
Figure BDA0003538050660000044
为各个变量的小扰动值；
然后对其化简运算，并将化简运算结果消去常数项和高阶小信号，可得到分布式电源的等效电路的小信号状态空间方程组：
Figure BDA0003538050660000045
Figure BDA0003538050660000046
Figure BDA0003538050660000047
然后将微分项通过拉氏变换变换为s可得小信号电压和小信号电流之间的关系，即源部分的小信号模型；
步骤3.2：对柔性互联装置进行小信号模型的建立：
Figure BDA0003538050660000048
则有，柔性互联装置的等效阻抗为：
Figure BDA0003538050660000049
其中Gpi(s)为pi控制传递函数，Gfpr(s)为模糊准谐振控制传递函数，GLPF(s)为低通滤波器传递函数，其中，Udcn,Idcn,Sdn,Sqn,Edn,Eqn,Idn,Iqn为步骤1.2中的各个变量的稳定状态下的数值，
Figure BDA00035380506600000410
为步骤1.2中的各个变量的小扰动值；
Figure BDA00035380506600000411
Figure BDA0003538050660000051
Figure BDA0003538050660000052
步骤3.3：建立恒功率负载的小信号模型；
通过恒功率负载的小信号分解和拉普拉斯变换，状态方程可以写成：
Figure BDA0003538050660000053
其中，DCPL,UPCC,URL,IRL,ILL为步骤1.3中的各个变量的稳定状态下的数值，
Figure BDA0003538050660000054
Figure BDA0003538050660000055
为步骤1.3中的各个变量的小扰动值；GpPI为pi控制的传递函数；
联立两个方程则有：
Figure BDA0003538050660000056
忽略柔性互联装置中的功率损耗，
Figure BDA0003538050660000057
的小信号模型如下所示：
Figure BDA0003538050660000058
其中，GpPI为功率pi控制的传递函数；
将
Figure BDA0003538050660000059
的小信号模型带入
Figure BDA00035380506600000510
中可得：
Figure BDA00035380506600000511
联立以上
Figure BDA00035380506600000512
三个式子，恒功率负载的小信号模型为：
Figure BDA00035380506600000513
步骤3.4：网的小信号模型为：
Zline(s)＝Rline+sLline
步骤4：使用阻抗比方式对交直流混合微电网进行小信号稳定性的判定：
根据戴维南定理得出交直流混合微电网的等效输出阻抗Zout和等效输入阻抗Zin：
Figure BDA00035380506600000514
其中Zac1(s)＝Z1(s)+Zline(s)，Zac2(s)＝Z2(s)+Zline(s)，Zr为微电网负载；
可知交直流混合微电网总体的小信号模型为：
Figure BDA0003538050660000061
根据交直流混合微电网小信号模型绘制的奈奎斯特图，观察其是否通过阻抗比禁止带，对其进行小信号稳定性的判定。
本发明的有益技术效果：
与现有技术相比，本技术的有益效果是：利用小信号模型对复杂的交直流混合微电网进行简化和等效，得到源逆变器的输出阻抗和负载变换器的输入阻抗，本技术能够无差跟踪交流信号，使得系统的电压控制稳态误差更小，模糊控制可以使得系统有较小的调节时间，进一步提高控制效果。并且提出了一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的模糊pr控制方法，提高了带有恒功率负载的微电网的小信号稳定性，填补了领域的一片空白。
附图说明
图1本发明中交直流混合微电网的结构示意图；其中，a为并网逆变器；
图2本发明中pi控制和pr控制的幅值裕度图，其中虚线为pi控制实线为pr控制；
图3本发明中为所提出的控制方法的控制框图；
图4本发明中带有逆变器的发电单元的电路结构图；
图5本发明中柔性互联装置的等效电路图；
图6本发明中恒功率负载的等效电路图；
图7本发明中网架结构的等效电路图；
图8本发明中微电网整体小信号阻抗模型图；
图9本发明中小信号稳定性的阻抗比禁止区；
图10本发明中下垂控制下的微电网奈奎斯特图；
图11本发明中模糊比例谐振控制下的微电网奈奎斯特图；
图12本发明中模糊比例谐振控制频率仿真图，其中，虚线为传统下垂控制下频率变化；
图13本发明中模糊比例谐振控制电压仿真图，其中，虚线为传统下垂控制下电压变化；
图14本发明中下垂控制有功无功功率仿真图；
图15本发明中模糊比例谐振控制有功无功功率仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明；
一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统包括源、网、荷、并网逆变器、DC/DC变换器、DC/AC变换器、AC/AC变换器以及开关；如图1所示；交直流混合微电网即一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统；
源部分由分布式电源和柔性互联装置等效而成；其中柔性互联装置分为DC/AC变换器和AC/AC变换器两种；
网为π型网架结构的母线组成；其中，母线有直流母线和交流母线两条；图1中直流、交流总线即为直流母线和交流母线
荷为负载；在系统中普遍存在大量且多样的负载，分为恒功率负载和电阻性的直流负载与交流负载；当系统中恒功率负载不够时，DC/DC变换器和电阻性的负载等效为一个恒功率负载；
交流侧通过开关接入大电网即图1中的交流电网，通过开关的动作，切换交直流混合微网的并网运行模式和孤岛运行模式。
分布式电源输出端连接柔性互联装置输入端，交流母线与柔性互联装置输出端相连；同时交流负载也连接到交流母线上，构成交流侧子网；当分布式电源为直流时，例如图1中储能系统，柔性互联装置采用DC/AC变换器；当分布式电源为交流时，例如图1中风能发电，柔性互联装置采用AC/AC变换器；
分布式电源输出端连接DC/DC变换器一端；DC/DC变换器另一端连接直流母线；恒功率负载以bulk电路的方式，与分布式电源和DC/DC变换器并联；同时，直流负载连接直流母线构成直流侧子网；其中，交流侧子网与直流侧子网之间通过并网逆变器相互连接构成一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统；图1直流侧子网一侧储能系统、光伏发电以及燃料电池表示分布式电源为直流；
交流侧接有交流本地负载，直流侧集成了分布式发电和直流负载交直流混合微电网系统通过并网逆变器实现交流网路和直流网路互联，通过对互联装置的控制能够实现能量双向流动。负载单元分为两种形式：阻抗和恒功率负载，为了控制DC/DC变换器的输出电压保持恒定，采用电压闭环控制策略，因此DC/DC变换器和负载可以等效为一个恒功率负载。并且真实恒功率负载在微电网中也普遍存在，并且恒功率负载呈现出负阻抗特性，将会减小系统阻尼，对系统稳定性造成不利影响。
另一方面，一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统的控制方法；具体包括以下步骤：
步骤1：对交直流混合微电网电路结构进行模型等效；所述交直流混合微电网电路为一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统；
步骤1.1：将交直流混合微电网电路的各个部分的模型进行等效，将分布式电源简化为容量足够的储能装置，并如图4所示的分布式电源的boost电路结构，得到分布式电源的电压与电流的关系：
Figure BDA0003538050660000081
其中，uink为输入电压，iLk为电感电流，iok为输出电流，uok为输出电压，uck为电容电压，dk为开关占空比，Ck为滤波电容，Lk为滤波电感；
步骤1.2：求解柔性互联装置的电路结构中电压与电流关系，其中与逆变器相连的柔性互联装置的具体电路结构如图5所示，其中，柔性互联装置为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure BDA0003538050660000082
其中，Lgn为滤波电感，Rgn为滤波电容，idn和iqn为电网电流的d，q轴分量，edn和eqn为电网电压的d，q轴分量，Sdn和Sqn为三相开关的占空比的d，q轴分量，udcn为直流侧电压idcn为直流侧电流，ω为系统频率；
忽略线阻损耗，且根据功率守恒则有：
Figure BDA0003538050660000083
步骤1.3：求解恒功率负载中电压与电流关系，其中，恒功率负载模型如图6，CPL是指由功率转换器驱动以提供恒定功率输出的CPL。为了获得CPL的小信号阻抗模型，图6中给出了由Buck变换器和电阻RL组成的等效负载。根据基尔霍夫定律，以buck变换方式连接的状态方程如下所示：
Figure BDA0003538050660000084
其中，CCPL为恒功率负载的滤波电容，LCPL为恒功率负载的滤波电感，uRL为输出电阻电压，uPCC为母线电压，iLL为滤波电感电流，iRL为电阻电流；
步骤1.4：母线的结构如图7所示，对母线的结构进行求解，其中，母线为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure BDA0003538050660000091
其中，uline为线阻电压，iline为线阻电流，Rline为线路电阻，Lline为线路电感；
步骤2：对柔性互联装置进行模糊比例谐振控制的设计；
如图2所示，其中虚线为pi控制实线为pr控制，PI控制对高频信号的增益会较低，而对低频信号会有较大的放大作用。假如使用PI控制器对50Hz及以上的正弦波进行跟踪，系统的跟踪特性会较差。而且会把低频噪声放大，正弦参考电流的跟踪存在静态误差。应用重复比例谐振控制器来抑制电压波动和负载突变对电网电流的影响。由于系统存在恒功率负载使得本身惯性不高的微电网系统的阻尼减小造成了，并且为了解决pi控制会放大低频噪声导致系统不稳定的情况，传统的比例积分控制器在基频处增益有限，导致跟踪正弦交流信号时存在静态误差。PR控制在基频处具有无限增益，可以实现正弦波信号的非静态误差跟踪控制。PR控制的传递函数如下:(Kp为比例系数，Kr为谐振增益，w0为基波的角频率)并且基于内模原理采用pr控制代替pi控制
对柔性互联装置采用比例谐振控制的公式为：
Figure BDA0003538050660000092
其中kp为比例参数，kr为谐振项系数，ω0为谐振频率；
本发明实施例在比例谐振控制的基础上，对柔性互联装置采用模糊pr控制，以达到实时在线调整pr参数；
步骤2.1：采用准谐振控制，对比例谐振控制结果进行优化：
Figure BDA0003538050660000093
其中ωc频段宽系数；
步骤2.2：采用模糊pr控制，对准谐振控制结果进行进一步优化；
根据柔性互联装置控制系统的传递函数确定准比例谐振控制中Kp和Kr参数的初始值；将两个参数作为模糊pr控制的输入，柔性互联装置根据模糊规则优化输出参数；将模糊pr控制kp，kr参数的变化量与模糊pr控制的初始参数相加，得到的数值就是模糊pr控制的实际控制参数；
再通过传感器测得参考电流与电网电流的差值和变化率；参考电流为柔性互联装置控制系统的目标电流值，电网电流为柔性互联装置控制系统实际电流值；基于参考电流与电网电流的差值和变化率利用模糊pr控制来调整kp，kr参数值；
模糊控制可以实现PR参数的实时在线调整，使微电网系统具有良好的动态和稳态性能。
模糊pr控制中参数Kp和参数Kr为：
kp＝kp0+Δkp
kr＝kr0+Δkr
其中，kp0，kr0为比例系数和谐振系数的初始值，Δkp，Δkr为比例系数和谐振系数的小扰动；
根据控制器中参数Kp和参数Kr的功能，模糊规则如表1所示；其控制框图如图3所示；
Figure BDA0003538050660000101
步骤3：分别对交直流混合微电网的各部分进行小信号模型设计；
步骤3.1：首先对交直流混合微电网各组成部分进行小信号模型建立，源部分为：
首先对分布式电源中的变量的稳定状态下附近做小扰动，令
Figure BDA0003538050660000102
Figure BDA0003538050660000103
其中，Uink，ILk，Dk，Uok，ILk，Iok为各个变量的稳定状态下的数值，
Figure BDA0003538050660000104
Figure BDA0003538050660000105
为各个变量的小扰动值；
然后对其化简运算，并将化简运算结果消去常数项和高阶小信号，可得到分布式电源的等效电路的小信号状态空间方程组：
Figure BDA0003538050660000111
Figure BDA0003538050660000112
Figure BDA0003538050660000113
然后将微分项通过拉氏变换变换为s可得小信号电压和小信号电流之间的关系，即源部分的小信号模型；
步骤3.2：对柔性互联装置进行小信号模型的建立：
将柔性互联装置的电压电流关系和功率守恒进行联立可得：
Figure BDA0003538050660000114
Figure BDA0003538050660000115
Figure BDA0003538050660000116
其中，Udcn,Idcn,Sdn,Sqn,Edn,Eqn,Idn,Iqn为步骤1.2中的各个变量的稳定状态下的数值，
Figure BDA0003538050660000117
Figure BDA0003538050660000118
为步骤1.2中的各个变量的小扰动值；
由上式可得：
Figure BDA0003538050660000119
Figure BDA00035380506600001110
Figure BDA00035380506600001111
Figure BDA00035380506600001112
根据所采用的如图3的常规下垂控制框图对其进行控制分析并对其进行小信号模型建立可得：
Figure BDA00035380506600001113
Figure BDA00035380506600001114
其中，Gpi(s)为pi控制传递函数，Gfpr(s)为模糊准谐振控制传递函数；
柔性互联装置采用所采用的控制方法时的d轴开关分量为：
Figure BDA0003538050660000121
其中，GLPF(s)为低通滤波器传递函数；
在所采用的控制策略中，d轴开关分量为，所述控制策略为模糊pr控制，控制方法为模糊pr控制的方法；
Figure BDA0003538050660000122
在所采用的控制策略中，将柔性互联装置的小信号模型中的占空比替换后为：
Figure BDA0003538050660000123
则有，柔性互联装置的等效阻抗为：
Figure BDA0003538050660000124
步骤3.3：通过恒功率负载的小信号分解和拉普拉斯变换，状态方程可以写成：
Figure BDA0003538050660000125
其中，DCPL,UPCC,URL,IRL,ILL为步骤1.3中的各个变量的稳定状态下的数值，
Figure BDA0003538050660000126
Figure BDA0003538050660000127
为步骤1.3中的各个变量的小扰动值.GpPI为pi控制的传递函数；
联立两个方程则有：
Figure BDA0003538050660000128
buck变换器一般采用恒功率PI控制，以保证输出功率恒定，并获得占空比指令。
忽略柔性互联装置中的功率损耗，
Figure BDA0003538050660000131
的小信号模型如下所示：
Figure BDA0003538050660000132
其中，GpPI为功率pi控制的传递函数；
将
Figure BDA0003538050660000133
的小信号模型带入
Figure BDA0003538050660000134
中可得：
Figure BDA0003538050660000135
联立以上三个式子，恒功率负载的小信号模型为：
Figure BDA0003538050660000136
步骤3.4：网的小信号模型为：
Zline(s)＝Rline+sLline
通过得到的小信号模型计算其等效电阻来探究微电网系统的小信号稳定性；
步骤4：使用阻抗比方式对交直流混合微电网进行小信号稳定性的判定：为了对交直流混联配电系统进行稳定性分析，首先需要对交直流混联系统的小信号数学模型进行等效根据第三节中的小信号模型进行建模，信号源由两个交流电源输出小信号模型，直流线路模型和负载侧输入阻抗恒功率负载和常规负载模型中组成图8表示了整个小信号阻抗模型图。
根据戴维南定理得出交直流混合微电网的等效输出阻抗Zout和等效输入阻抗Zin：
Figure BDA0003538050660000137
其中Zac1(s)＝Z1(s)+Zline(s)，Zac2(s)＝Z2(s)+Zline(s)，Zr为微电网负载；
可知交直流混合微电网总体的小信号模型为：
Figure BDA0003538050660000138
根据交直流混合微电网小信号模型绘制的奈奎斯特图，观察其是否通过阻抗比禁止带，对其进行小信号稳定性的判定。
然后对小信号稳定性利用阻抗稳定性判据的提出，小信号模型以平均模型为基础，在一定的平衡状态下对系统进行线性化后得到，小信号稳定性分析只能分析接近平衡态的特性。尽管如此，小信号稳定性分析仍然十分有用。
阻抗比稳定性大致为通过输入输出侧对系统进行等效，将系统的微源的等效输出阻抗Zout与负载的等效输入阻抗Zin进行比较，如果Zout远大于Zin那么就可以认为级联后的系统是稳定的，即仅当Tm的奈奎斯特曲线不包含(-1，j0)点时，则说明整个系统是小信号稳定的。如果不能满足上述条件就认为系统是不稳定的。但是这种方式的判据过于严格，在实际使用中使用阻抗比禁止带的方式完全可以满足使用。
为了分析交直流混联配电系统的稳定性，在此使用阻抗稳定性判据分析方法，应用环路增益分析技术，确定了两个级联功率子系统之间的接口处的阻抗比率的极坐标图的禁区，通过Matlab进行编程计算能够得到主从和下垂控制情况下交直流配电系统的输出和输入阻抗，通过系统参数绘制奈奎斯特曲线确定系统稳定性边界，如图9所示。
当奈奎斯特曲线不经过阻抗比禁止区时，认为该系统为小信号稳定。
使用pscad仿真工具搭建交直流混联配电系统的物理模型进行对比验证。其中参数如表2所示。
Figure BDA0003538050660000141
微电网的稳定性分析：
首先研究传统下垂控制下的线路参数对总体微电网小信号稳定性的影响，根据上表的数据对其进行研究线路电阻变化对系统稳定性的影响，假设线路电阻一定，设置系统中的线路阻抗为0.2Ω，并且设置恒功率负载由0.2mΩ变化至0.3mΩ，根据带有传统下垂控制tm的小信号模型公式能够得到其奈奎斯特图，如图10所示。
根据图10中从左到右分别为图a，b，c能够看出，当恒功率负载逐渐增加至0.25mΩ时，奈奎斯特曲线经过阻抗比禁止区，说明系统为小信号不稳定状态，在c中包围(-1，j0)点由此可知系统的小信号稳定性对恒功率电阻较为敏感。
下图为采用了模糊准比例谐振控制即模糊pr控制的下垂控制方式，为了更好的对比分析，在研究恒功率负载对系统稳定性影响时，考虑变化范围与前面分析一致，根据模糊准比例谐振控制的下垂控制方式的tm小信号模型公式得到其奈奎斯特图，如下图所示。
根据图11中从左到右分别为图a，b，c能够看出，在恒功率电阻变化从0.2mΩ到0.3mΩ时，小信号稳定性较好，没有经过阻抗比禁止带，所以可以认为采用模糊准比例谐振控制的下垂控制方式时，能够提高系统的小信号稳定性。
根据内模原理，反馈控制器必须包含外界扰动的模型，才能使得闭环系统能够抵抗扰动和系统参数变化，并且调节输出。在交流的模型中由于电压变化为正弦曲线，但是pi控制由于只含有阶跃信号模型，不存在正弦信号模型，所以当系统的参数发生改变时，不能够实现零稳态误差，所以会增强微电网系统的小信号稳定性。
如图12所示为传统下垂控制和所采用的模糊准比例谐振控制的频率的对比图。其中，虚线为传统下垂控制下的频率变化，取4s时的电压频率变化，当负载增加时，根据上图可以看出，传统下垂控制频率的波动范围比所采用的模糊准比例谐振控制更大，说明所采用的模糊准比例谐振控制更稳定；
在电压方面如图13，其中，虚线为传统下垂控制下的电压变化，在4s时，传统下垂控制的电压波动相较于所采用的模糊准比例谐振控制的更大，传统下垂控制造成了不期望的电压偏差，使得系统整体不稳定，而所采用的模糊准比例谐振控制能够做到无差跟踪系统电压变化，达到稳定状态。
从图14和15可以看出，由于下垂控制的目标为能够均分两分布式电源的功率输出，当采用传统下垂控制时由于造成了电压偏差所以，系统的无功功率分配同样产生了偏差，当系统采用模糊准比例谐振控制时，能够精确对系统的功率分配进行控制，尤其可得出，仿真结果和小信号稳定性分析结果一致。
本发明介绍了微电网在恒功率负载下的阻抗建模和动态分析。基于Nyquist准则和阻抗比禁止带的理论分析表明，恒功率的阻尼特性会影响微电网，使得系统小信号不稳定。此外，为了提高微电网的动态响应和阻尼性能，提出了一种基于内模原理的模糊准比例谐振控制。在PSCAD/EMTDC平台上的仿真验证了该控制方法的有效性和有效性。

Claims (6)

1.一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统，其特征在于，包括包括源、网、荷、并网逆变器以及开关；
源部分由分布式电源和柔性互联装置等效而成；网为π型网架结构的母线组成；荷为负载；在系统中普遍存在大量且多样的负载，分为恒功率负载和电阻性的直流负载与交流负载；
其中，母线有直流母线和交流母线两条；
分布式电源输出端连接柔性互联装置输入端，交流母线与柔性互联装置输出端相连；同时交流负载也连接到交流母线上，构成交流侧子网；
分布式电源输出端连接DC/DC变换器一端；DC/DC变换器另一端连接直流母线；恒功率负载以bulk电路的方式，与分布式电源和DC/DC变换器并联；同时，直流负载连接直流母线构成直流侧子网；其中，交流侧子网与直流侧子网之间通过并网逆变器相互连接构成一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统；
通过开关的动作，切换交直流混合微网的并网运行模式或孤岛运行模式。
2.权利要求1所述的一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：对交直流混合微电网电路结构进行模型等效；所述交直流混合微电网电路为一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统；
步骤2：对柔性互联装置进行模糊比例谐振控制的设计，即模糊pr控制的设计；
步骤3：分别对交直流混合微电网的各部分进行小信号模型设计；
步骤4：使用阻抗比方式对交直流混合微电网进行小信号稳定性的判定。
3.根据权利要求2所述的一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统控制方法，其特征在于，步骤1具体为：
步骤1.1：将交直流混合微电网电路的各个部分的模型进行等效，将分布式电源简化为容量足够的储能装置，并根据分布式电源的boost电路结构，得到分布式电源的电压与电流的关系：
Figure FDA0003538050650000011
其中，uink为输入电压，iLk为电感电流，iok为输出电流，uok为输出电压，uck为电容电压，dk为开关占空比，Ck为滤波电容，Lk为滤波电感；
步骤1.2：求解柔性互联装置的电路结构中电压与电流关系，其中，柔性互联装置为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure FDA0003538050650000021
其中，Lgn为滤波电感，Rgn为滤波电容，idn和iqn为电网电流的d，q轴分量，edn和eqn为电网电压的d，q轴分量，Sdn和Sqn为三相开关的占空比的d，q轴分量，udcn为直流侧电压idcn为直流侧电流，ω为系统频率；
忽略线阻损耗，且根据功率守恒则有：
Figure FDA0003538050650000022
步骤1.3：求解恒功率负载中电压与电流关系，其中，恒功率负载为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure FDA0003538050650000023
其中，CCPL为恒功率负载的滤波电容，LCPL为恒功率负载的滤波电感，uRL为输出电阻电压，uPCC为母线电压，iLL为滤波电感电流，iRL为电阻电流；
步骤1.4：对母线的结构进行求解，其中，母线为交直流混合微电网电路组成部分：
Figure FDA0003538050650000024
其中，uline为线阻电压，iline为线阻电流，Rline为线路电阻，Lline为线路电感。
4.根据权利要求2所述的一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统控制方法，其特征在于，步骤2具体为：
步骤2.1：采用准谐振控制，对柔性互联装置进行进行设计：
Figure FDA0003538050650000025
其中ωc频段宽系数；
步骤2.2：采用模糊pr控制，对准谐振控制结果进行进一步优化；
根据柔性互联装置控制系统的传递函数确定准比例谐振控制中Kp和Kr参数的初始值；将两个参数作为模糊pr控制的输入，柔性互联装置根据模糊规则优化输出参数；将模糊pr控制kp，kr参数的变化量与模糊pr控制的初始参数相加，得到的数值就是模糊pr控制的实际控制参数；
再通过传感器测得参考电流与电网电流的差值和变化率；参考电流为柔性互联装置控制系统的目标电流值，电网电流为柔性互联装置控制系统实际电流值；基于参考电流与电网电流的差值和变化率利用模糊pr控制来调整kp，kr参数值；
模糊pr控制中参数Kp和参数Kr为：
kp＝kp0+Δkp
kr＝kr0+Δkr
其中，kp0，kr0为比例系数和谐振系数的初始值，Δkp，Δkr为比例系数和谐振系数的小扰动。
5.根据权利要求2所述的一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统控制方法，其特征在于，步骤3具体为：
步骤3.1：首先对交直流混合微电网各组成部分进行小信号模型建立，源部分为：
首先对分布式电源中的变量的稳定状态下附近做小扰动，令
Figure FDA0003538050650000031
Figure FDA0003538050650000032
其中，Uink，ILk，Dk，Uok，ILk，Iok为步骤1.1中各个变量的稳定状态下的数值，
Figure FDA0003538050650000033
Figure FDA0003538050650000034
为各个变量的小扰动值；
然后对其化简运算，并将化简运算结果消去常数项和高阶小信号，可得到分布式电源的等效电路的小信号状态空间方程组：
Figure FDA0003538050650000035
Figure FDA0003538050650000036
Figure FDA0003538050650000037
然后将微分项通过拉氏变换变换为s可得小信号电压和小信号电流之间的关系，即源部分的小信号模型；
步骤3.2：对柔性互联装置进行小信号模型的建立：
Figure FDA0003538050650000041
则有，柔性互联装置的等效阻抗为：
Figure FDA0003538050650000042
其中Gpi(s)为pi控制传递函数，Gfpr(s)为模糊准谐振控制传递函数，GLPF(s)为低通滤波器传递函数，其中，Udcn,Idcn,Sdn,Sqn,Edn,Eqn,Idn,Iqn为步骤1.2中的各个变量的稳定状态下的数值，
Figure FDA0003538050650000043
为步骤1.2中的各个变量的小扰动值；
Figure FDA0003538050650000044
Figure FDA0003538050650000045
Figure FDA0003538050650000046
步骤3.3：建立恒功率负载的小信号模型；
通过恒功率负载的小信号分解和拉普拉斯变换，状态方程可以写成：
Figure FDA0003538050650000047
其中，DCPL,UPCC,URL,IRL,ILL为步骤1.3中的各个变量的稳定状态下的数值，
Figure FDA0003538050650000048
Figure FDA0003538050650000049
为步骤1.3中的各个变量的小扰动值.GpPI为pi控制的传递函数；
联立两个方程则有：
Figure FDA00035380506500000410
忽略柔性互联装置中的功率损耗，
Figure FDA0003538050650000051
的小信号模型如下所示：
Figure FDA0003538050650000052
其中，GpPI为功率pi控制的传递函数；
将
Figure FDA0003538050650000053
的小信号模型带入
Figure FDA0003538050650000054
中可得：
Figure FDA0003538050650000055
联立以上
Figure FDA0003538050650000056
三个式子，恒功率负载的小信号模型为：
Figure FDA0003538050650000057
步骤3.4：网的小信号模型为：
Zline(s)＝Rline+sLline。
6.根据权利要求2所述的一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统控制方法，其特征在于，步骤4具体为：
根据戴维南定理得出交直流混合微电网的等效输出阻抗Zout和等效输入阻抗Zin：
Figure FDA0003538050650000058
其中Zac1(s)＝Z1(s)+Zline(s)，Zac2(s)＝Z2(s)+Zline(s)，Zr为微电网负载；
可知交直流混合微电网总体的小信号模型为：
Figure FDA0003538050650000059
根据交直流混合微电网小信号模型绘制的奈奎斯特图，观察其是否通过阻抗比禁止带，对其进行小信号稳定性的判定。
CN202210230225.0A 2022-03-09 2022-03-09 一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法 Pending CN114552678A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210230225.0A CN114552678A (zh) 2022-03-09 2022-03-09 一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210230225.0A CN114552678A (zh) 2022-03-09 2022-03-09 一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114552678A true CN114552678A (zh) 2022-05-27

Family

ID=81663404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210230225.0A Pending CN114552678A (zh) 2022-03-09 2022-03-09 一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114552678A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116644699A (zh) * 2023-05-29 2023-08-25 西南交通大学 基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法
CN116914757A (zh) * 2023-07-20 2023-10-20 国网上海市电力公司 配电台区柔性互联系统最大估计吸引域的确定方法及装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116644699A (zh) * 2023-05-29 2023-08-25 西南交通大学 基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法
CN116644699B (zh) * 2023-05-29 2023-12-29 西南交通大学 基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法
CN116914757A (zh) * 2023-07-20 2023-10-20 国网上海市电力公司 配电台区柔性互联系统最大估计吸引域的确定方法及装置
CN116914757B (zh) * 2023-07-20 2024-05-07 国网上海市电力公司 配电台区柔性互联系统最大估计吸引域的确定方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mishra et al. PSO-GWO optimized fractional order PID based hybrid shunt active power filter for power quality improvements
Fei et al. Fuzzy double hidden layer recurrent neural terminal sliding mode control of single-phase active power filter
CN108649780B (zh) 一种考虑弱电网下逆变器稳定性的lcl滤波器参数优化方法
Patnaik et al. Real-time performance analysis and comparison of various control schemes for particle swarm optimization-based shunt active power filters
CN114552678A (zh) 一种考虑恒功率负载与小信号稳定性的系统及控制方法
CN106230257A (zh) 一种双向直流变换器反馈线性化反步滑模控制方法
CN104578045B (zh) 独立直流微网智能功率分配方法
CN110556871B (zh) 基于结构保持方法的大规模光伏发电系统聚合等值方法
CN106786647A (zh) 一种三相四线制并联apf双闭环非线性复合控制方法
WO2024021206A1 (zh) 一种基于构网型变流器的储能系统控制方法、系统、存储介质及设备
CN105720598A (zh) 一种电压源型换流器定直流电压控制器参数的计算方法
CN110768299A (zh) 负荷虚拟同步机的序阻抗建模与稳定性分析方法
CN112701720B (zh) 一种交流微网带恒功率负载的混合控制方法
Rong et al. Output feedback control of single-phase UPQC based on a novel model
CN105406741B (zh) 一种三相电网电压不平衡时pwm整流器模糊滑模变结构控制方法
CN105978373A (zh) 实现微电网稳定的三相逆变器逆推滑模控制方法及系统
CN107276091A (zh) Npc型三电平三相四线制sapf非线性无源控制方法
CN110048447B (zh) 一种柔性直流输电系统站间h∞解耦控制器
Ayachi Amor et al. Fuzzy logic enhanced control for a single‐stage grid‐tied photovoltaic system with shunt active filtering capability
Pournazarian et al. Enhancing microgrid small-signal stability and reactive power sharing using anfis-tuned virtual inductances
Li et al. A control parameter design method for hybrid multi-terminal HVDC system
Sun et al. Decoupling control of cascaded power electronic transformer based on feedback exact linearization
CN109787234B (zh) 含vsc接口的分布式电源超高次谐波稳定模式获取方法
Zhang et al. An improved robust model predictive and repetitive combined control for three-phase four-leg active power filters with fixed switching frequency
CN107370402A (zh) 一种基于离散Lyapunov函数的切换控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination